JP6115189B2 - Quantum entangled photon pair generator - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

この発明は、量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光子対発生装置に関する。   The present invention relates to a entangled photon pair generating device that generates a entangled photon pair.

量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光子対発生装置は、量子暗号や量子コンピュータなど、量子情報通信技術を実現するための重要な構成要素となっている。量子もつれ光子対発生装置の実現を目的として、従来、様々な技術が研究されている。様々な技術の中で、非線形光学媒体中でのパラメトリック蛍光を用いる技術が最も実用性に優れている。   An entangled photon pair generating device that generates entangled photon pairs is an important component for realizing quantum information communication technology such as quantum cryptography and quantum computers. Various technologies have been studied for the purpose of realizing a entangled photon pair generator. Among various techniques, a technique using parametric fluorescence in a nonlinear optical medium is most practical.

パラメトリック蛍光は、非線形光学媒体に1個ないし複数個の励起光子が入力されると、シグナル光子及びアイドラー光子と呼ばれる光子対が一対発生する非線形光学現象である。ここで、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子は、エネルギー保存則に相当する相関関係や偏波についての相関関係がある。   Parametric fluorescence is a nonlinear optical phenomenon in which a pair of photons called signal photons and idler photons are generated when one or more excitation photons are input to a nonlinear optical medium. Here, the excitation photon, the signal photon, and the idler photon have a correlation corresponding to an energy conservation law or a correlation with respect to polarization.

これらの相関関係を利用することにより、量子もつれ光子対を生成することができる。例えば、非特許文献1には、シグナル光子及びアイドラー光子の光子対間に偏波相関がある偏波量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光子対発生装置が開示されている。ここでは、非線形光学媒体として、周期的変調構造を作りつけたLiNbO結晶(PPLN結晶:Periodically Poled Lithium Niobate)を用いたサニャック干渉計型の光干渉計を構成することで、偏波量子もつれ光子対を発生させている。 By utilizing these correlations, a entangled photon pair can be generated. For example, Non-Patent Document 1 discloses a quantum entangled photon pair generating device that generates a polarization entangled photon pair having a polarization correlation between a photon pair of a signal photon and an idler photon. Here, as a nonlinear optical medium, a Sagnac interferometer type optical interferometer using a LiNbO 3 crystal (PPLN crystal) with a periodic modulation structure is formed, thereby forming a polarization entangled photon Generating a pair.

H.C.Lim、 A.Yoshizawa、 H.Tsuchida and K.Kikuchi、“Stable source of high quality telecom−band polarization−entangled photon−pairs based on a single, pulse−pumped, short PPLN waveguide”、 Optics Express. Vol.16,No.17,pp.12460−12468 (2008)H. C. Lim, A.A. Yoshizawa, H .; Tsuchida and K.K. Kikuchi, “Stable source of high quality telecom-band polarization-entangled photo-pairs based on a single, pulse-pumped, short PPLNwp. Vol. 16, no. 17, pp. 12460-12468 (2008)

パラメトリック蛍光を利用して量子もつれ光子対を発生させる場合、パラメトリック蛍光現象を生じさせるために励起光子の光源が必要である。例えば、非特許文献1に開示されている量子もつれ光子対発生装置では、励起光子の光源(以下、励起光源と称する。)は、非線形光学媒体を含む光干渉計など量子もつれ対を発生する光学系とは別個に用意されている。   When generating a entangled photon pair using parametric fluorescence, a light source of excitation photons is necessary to generate the parametric fluorescence phenomenon. For example, in the entangled photon pair generation device disclosed in Non-Patent Document 1, the light source of excitation photons (hereinafter referred to as excitation light source) is an optical that generates a entangled pair such as an optical interferometer including a nonlinear optical medium. It is prepared separately from the system.

このため、励起光源と光干渉計とを有する量子もつれ光子対発生装置は、全体として大型で高コストとなる。   For this reason, the quantum entangled photon pair generating device having the excitation light source and the optical interferometer is large and expensive as a whole.

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、励起光源と光干渉計が一体化された、より小型で低コストの量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a more compact and low-cost quantum entangled photon pair generating apparatus in which an excitation light source and an optical interferometer are integrated. There is.

上述した目的を達成するために、この発明の量子もつれ光子対発生装置は、レーザ共振器と、偏波面変換器と、偏光ビームスプリッタと、WDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルタとを備えて構成される。レーザ共振器は、光周波数ωpを含む周波数帯域で光学利得を有し、光周波数ωpの励起光子を生成する光増幅器、非線形光学効果により、励起光子から光周波数ωsのシグナル光子及び光周波数ωiのアイドラー光子の光子対を生成する非線形光学媒体、及び、励起光子の伝播方向に非線形光学媒体を挟む位置に設けられ、シグナル光子及びアイドラー光子を取り出す第1及び第2の光子対取出部を備えている。偏波面変換器は、第1の光子対取出部から取り出されたシグナル光子及びアイドラー光子の偏光方向を90度回転させる。偏光ビームスプリッタは、偏波面変換器からの出力光と、第2の光子対取出部からの出力光とを偏光合成する。WDMフィルタは、偏光ビームスプリッタからの出力光をシグナル光子の波長成分と、アイドラー光子の波長成分とに空間分離する。   In order to achieve the above-described object, a quantum entangled photon pair generating apparatus of the present invention includes a laser resonator, a polarization plane converter, a polarization beam splitter, and a WDM (Wavelength Division Multiplexer / Demultiplexer) filter. Is done. The laser resonator has an optical gain in a frequency band including the optical frequency ωp, and generates an excitation photon with the optical frequency ωp. Due to the nonlinear optical effect, a signal photon with the optical frequency ωs and an optical frequency ωi with the optical frequency ωi are generated. A non-linear optical medium that generates a photon pair of idler photons, and first and second photon pair extraction units that are provided at positions sandwiching the non-linear optical medium in the propagation direction of excitation photons and that extract signal photons and idler photons. Yes. The polarization plane converter rotates the polarization directions of the signal photon and idler photon extracted from the first photon pair extraction unit by 90 degrees. The polarization beam splitter combines the output light from the polarization plane converter with the output light from the second photon pair extraction unit. The WDM filter spatially separates the output light from the polarization beam splitter into the wavelength component of the signal photon and the wavelength component of the idler photon.

この発明の量子もつれ光子対発生装置によれば、非線形光学媒体が、レーザ共振器の内部に設けられている。すなわち、励起光子の光源(以下、励起光源と称する。)と、非線形光学媒体を含む光干渉計など量子もつれ対を発生する光学系が一体化されている。このため、量子もつれ光子対発生装置のより小型で低コスト化が図られる。   According to the entangled photon pair generating apparatus of the present invention, the nonlinear optical medium is provided inside the laser resonator. That is, a light source of excitation photons (hereinafter referred to as an excitation light source) and an optical system that generates a entangled pair such as an optical interferometer including a nonlinear optical medium are integrated. For this reason, the quantum entangled photon pair generating device can be made smaller and lower in cost.

第1のもつれ光子対発生装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a 1st entangled photon pair generator. 第1のもつれ光子対発生装置に用いられる波長分離フィルタの特性を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the characteristic of the wavelength separation filter used for the 1st entangled photon pair generator. 第1のもつれ光子対発生装置に用いられる光バンドパスフィルタの特性を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the characteristic of the optical band pass filter used for the 1st entangled photon pair generator. 第1のもつれ光子対発生装置の第1の変形例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the 1st modification of a 1st entangled photon pair generator. 第1のもつれ光子対発生装置の第2の変形例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the 2nd modification of a 1st entangled photon pair generator. 第2のもつれ光子対発生装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the 2nd entangled photon pair generator. 第2のもつれ光子対発生装置に用いられる波長分離フィルタの特性を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the characteristic of the wavelength separation filter used for the 2nd entangled photon pair generator. 第2のもつれ光子対発生装置の変形例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the modification of a 2nd entangled photon pair generator. レーザ共振器の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a laser resonator.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the material and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.

(第1のもつれ光子対発生装置)
図1を参照して、この発明に係る量子もつれ光子対発生装置の第1の実施形態(以下、第1のもつれ光子対発生装置とも称する。)について説明する。図1は、第1のもつれ光子対発生装置の概略構成図である。
(First entangled photon pair generator)
With reference to FIG. 1, a first embodiment of a entangled photon pair generation device (hereinafter also referred to as a first entangled photon pair generation device) according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first entangled photon pair generating device.

第1のもつれ光子対発生装置10は、レーザ共振器20と光子対出力部80を備えて構成される。   The first entangled photon pair generating apparatus 10 includes a laser resonator 20 and a photon pair output unit 80.

レーザ共振器20は、光増幅器30、非線形光学媒体40、第1及び第2の光子対取出部、狭帯域の光バンドパスフィルタ64、並びに、光遅延回路66を備えていて、ループ型共振器として構成されている。このレーザ共振器20は、光周波数ωpでレーザ発振する。また、光子対出力部80は、偏波面変換器82と、偏光ビームスプリッタ84と、光ローパスフィルタ86と、WDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルタ88とを備えて構成される。   The laser resonator 20 includes an optical amplifier 30, a nonlinear optical medium 40, first and second photon pair extraction units, a narrow band optical bandpass filter 64, and an optical delay circuit 66, and is a loop resonator. It is configured as. The laser resonator 20 oscillates at the optical frequency ωp. The photon pair output unit 80 includes a polarization plane converter 82, a polarization beam splitter 84, an optical low-pass filter 86, and a WDM (Wavelength Division Multiplexer / Demultiplexer) filter 88.

光増幅器30の一方の端面30aは、第1の光経路60により、非線形光学媒体40の一方の端面40aに、光学結合されている。また、光増幅器30の他方の端面30bは、第2の光経路61により、非線形光学媒体40の他方の端面40bに、光学結合されている。   One end face 30 a of the optical amplifier 30 is optically coupled to one end face 40 a of the nonlinear optical medium 40 by the first optical path 60. The other end face 30 b of the optical amplifier 30 is optically coupled to the other end face 40 b of the nonlinear optical medium 40 by the second optical path 61.

第1の光経路60には、狭帯域の光バンドパスフィルタ64及び第1の光子対取出部として第1の波長分離フィルタ50が設けられている。第1の波長分離フィルタ50は第1〜3の入出力端50a〜50cを備えている。第1の波長分離フィルタ50の第1の入出力端50aは、非線形光学媒体40の一方の端面40aに接続されている。また、第1の波長分離フィルタ50の第2の入出力端50bは、狭帯域の光バンドパスフィルタ64を経て、光増幅器30の一方の端面30aに接続されている。第1の波長分離フィルタ50の第3の入出力端50cは、光子対出力部80の偏波面変換器82に接続されている。   The first optical path 60 is provided with a narrow-band optical bandpass filter 64 and a first wavelength separation filter 50 as a first photon pair extraction unit. The first wavelength separation filter 50 includes first to third input / output ends 50a to 50c. The first input / output end 50 a of the first wavelength separation filter 50 is connected to one end face 40 a of the nonlinear optical medium 40. The second input / output end 50 b of the first wavelength separation filter 50 is connected to one end face 30 a of the optical amplifier 30 via a narrow band optical bandpass filter 64. The third input / output terminal 50 c of the first wavelength separation filter 50 is connected to the polarization plane converter 82 of the photon pair output unit 80.

第2の光経路61には、光遅延回路66及び第2の光子対取出部として第2の波長分離フィルタ51が設けられている。第2の波長分離フィルタ51は第1〜3の入出力端51a〜51cを備えている。第2の波長分離フィルタ51の第1の入出力端51aは、非線形光学媒体40の他方の端面40bに接続されている。また、第2の波長分離フィルタ51の第2の入出力端51bは、光遅延回路66を経て、光増幅器30の他方の端面30bに接続されている。第2の波長分離フィルタ51の第3の入出力端51cは、光子対出力部80の偏光ビームスプリッタ84に接続されている。   The second optical path 61 is provided with a second wavelength separation filter 51 as an optical delay circuit 66 and a second photon pair extraction unit. The second wavelength separation filter 51 includes first to third input / output ends 51a to 51c. The first input / output end 51 a of the second wavelength separation filter 51 is connected to the other end face 40 b of the nonlinear optical medium 40. The second input / output end 51 b of the second wavelength separation filter 51 is connected to the other end face 30 b of the optical amplifier 30 via the optical delay circuit 66. The third input / output end 51 c of the second wavelength separation filter 51 is connected to the polarization beam splitter 84 of the photon pair output unit 80.

偏光ビームスプリッタ84は、第1〜3の入出力端84a〜84cを備えている。偏光ビームスプリッタ84の第1の入出力端84aは、第2の波長分離フィルタ51の第3の入出力端51cに接続されている。また、偏光ビームスプリッタ84の第2の入出力端84bは、偏波面変換器82を経て、第1の波長分離フィルタ50の第3の入出力端50cに接続されている。偏光ビームスプリッタ84の第3の入出力端84cは、光ローパスフィルタ86を経て、WDMフィルタ88に接続されている。   The polarization beam splitter 84 includes first to third input / output ends 84a to 84c. The first input / output end 84 a of the polarization beam splitter 84 is connected to the third input / output end 51 c of the second wavelength separation filter 51. The second input / output end 84 b of the polarization beam splitter 84 is connected to the third input / output end 50 c of the first wavelength separation filter 50 via the polarization plane converter 82. The third input / output end 84 c of the polarization beam splitter 84 is connected to the WDM filter 88 via the optical low-pass filter 86.

光増幅器30は、光周波数ωpを含む、光周波数ωp近傍の周波数帯域で光学利得を有し、光周波数ωpの励起光子を生成する。光増幅器30として、半導体光増幅器や、エルビウム添加光ファイバ導波路等の光導波路タイプの増幅器など、任意好適な従来周知の光増幅器を用いるとことができる。ここでは、光増幅器30として半導体光増幅器を用いる例を説明する。この場合、光増幅器30に電流注入することにより、光学利得を生じさせるための駆動電源34が設けられている。光増幅器が光導波路タイプの増幅器の場合、駆動電源34に換えて、励起光子を生成する光源が用いられる場合もある。   The optical amplifier 30 has an optical gain in a frequency band near the optical frequency ωp including the optical frequency ωp, and generates pumping photons having the optical frequency ωp. As the optical amplifier 30, any suitable known optical amplifier such as a semiconductor optical amplifier or an optical waveguide type amplifier such as an erbium-doped optical fiber waveguide can be used. Here, an example in which a semiconductor optical amplifier is used as the optical amplifier 30 will be described. In this case, a drive power supply 34 is provided for generating an optical gain by injecting current into the optical amplifier 30. When the optical amplifier is an optical waveguide type amplifier, a light source that generates excitation photons may be used instead of the drive power supply 34.

また、光増幅器30の両端面30a及び30bは、反射戻り光による動作不安定性を避けるために無反射コーティングされていることが望ましい。   Further, it is desirable that both end faces 30a and 30b of the optical amplifier 30 are coated with antireflection to avoid operational instability due to reflected return light.

ここでは、レーザ発振の発振偏光方向がV偏光であると仮定する。このレーザ発振光は、レーザ共振器を時計回り及び反時計回りの両方向で伝播する。   Here, it is assumed that the oscillation polarization direction of laser oscillation is V-polarized light. This laser oscillation light propagates through the laser resonator in both the clockwise and counterclockwise directions.

非線形光学媒体40は、非線形光学効果により、励起光子から、光周波数ωsのシグナル光子及び光周波数ωiのアイドラー光子の光子対を生成する。非線形光学媒体40として、例えば、周期的変調構造を作りつけたLiNbO結晶(PPLN結晶)を用いることができる。ここでは、LiNbO結晶のd33成分を利用する。レーザ発振の発振偏光方向がV偏光である場合、c軸方向がV偏光方向と合致するようにLiNbO結晶を配置する。 The nonlinear optical medium 40 generates a photon pair of a signal photon having an optical frequency ωs and an idler photon having an optical frequency ωi from an excitation photon by a nonlinear optical effect. As the nonlinear optical medium 40, for example, a LiNbO 3 crystal (PPLN crystal) with a periodically modulated structure can be used. Here, the d33 component of LiNbO 3 crystal is used. When the lasing polarization direction of laser oscillation is V polarization, the LiNbO 3 crystal is arranged so that the c-axis direction matches the V polarization direction.

この例では、非線形光学媒体40は、非線形光学効果として、自然パラメトリック下方変換を生じさせるように、周期分極反転の周期が設定される。非線形光学媒体は、励起光子に対する自然パラメトリック下方変換光として、シグナル光子及びアイドラー光子を生成する。このとき、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子の光周波数ωp、ωs及びωiは、ωp=ωs+ωiの関係式を満たす。また、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子の光波長λp、λs及びλiは、1/λp=1/λs+1/λiの関係式を満たす。量子もつれ光子対の波長帯として、1.5μm帯を所望する場合は、励起光子の波長帯として、0.75μmを用いればよい。   In this example, the period of periodic polarization inversion is set in the nonlinear optical medium 40 so as to cause natural parametric down conversion as a nonlinear optical effect. The nonlinear optical medium generates a signal photon and an idler photon as natural parametric down-converted light for the excitation photon. At this time, the optical frequencies ωp, ωs, and ωi of the excitation photons, signal photons, and idler photons satisfy the relational expression ωp = ωs + ωi. Further, the optical wavelengths λp, λs, and λi of the excitation photon, signal photon, and idler photon satisfy the relational expression 1 / λp = 1 / λs + 1 / λi. When a 1.5 μm band is desired as the wavelength band of the entangled photon pair, 0.75 μm may be used as the wavelength band of the excitation photon.

また、非線形光学媒体40の両端面40a及び40bは、反射戻り光による動作不安定性を避けるために無反射コーティングされていることが望ましい。   Further, it is desirable that both end faces 40a and 40b of the nonlinear optical medium 40 are coated with antireflection to avoid operational instability due to reflected return light.

第1及び第2の波長分離フィルタ50及び51は、励起光子の伝播方向に、非線形光学媒体40を挟む位置に設けられている。第1及び第2の波長分離フィルタ50及び51は、シグナル光子及びアイドラー光子をレーザ共振器20から取り出す。また、第1及び第2の波長分離フィルタ50及び51は、光周波数ωpの励起光子を、レーザ共振器内に伝播させてレーザ発振を生じさせる。   The first and second wavelength separation filters 50 and 51 are provided at positions where the nonlinear optical medium 40 is sandwiched in the propagation direction of the excitation photons. The first and second wavelength separation filters 50 and 51 extract signal photons and idler photons from the laser resonator 20. Further, the first and second wavelength separation filters 50 and 51 propagate the excitation photons having the optical frequency ωp into the laser resonator to cause laser oscillation.

このため、第1及び第2の波長分離フィルタ50及び51が、シグナル光子の光周波数ωs及びアイドラー光子の光周波数ωiと、励起光子の光周波数ωpの間の境界周波数ωx未満の周波数を有する低周波成分の光子をレーザ共振器20から取り出し、境界周波数ωx以上の周波数を有する高周波成分の光子をそのままレーザ共振器20内に伝播させるのが良い。   Therefore, the first and second wavelength separation filters 50 and 51 are low in frequency having a frequency less than the boundary frequency ωx between the optical frequency ωs of the signal photon and the optical frequency ωi of the idler photon and the optical frequency ωp of the excitation photon. It is preferable that the photons of the frequency component are taken out from the laser resonator 20 and the photons of the high frequency component having a frequency equal to or higher than the boundary frequency ωx are directly propagated in the laser resonator 20.

図2を参照して、波長分離フィルタの入出力特性を説明する。図2は、波長分離フィルタの入出力特性を示す模式図である。図2は横軸に光周波数を取って示し、縦軸に透過率をいずれも任意単位で取って示している。図2中、実線Iは、第1の入出力端に入力された光に対し、第2の入出力端から出力される透過率を示し、点線IIは、第1の入出力端に入力された光に対し、第3の入出力端から出力される透過率を示している。   The input / output characteristics of the wavelength separation filter will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing input / output characteristics of the wavelength separation filter. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the optical frequency, and the vertical axis indicates the transmittance in arbitrary units. In FIG. 2, the solid line I indicates the transmittance output from the second input / output terminal with respect to the light input to the first input / output terminal, and the dotted line II is input to the first input / output terminal. The transmittance output from the third input / output terminal with respect to the measured light is shown.

これらの特性を示す、第1及び第2の光子対取出部を構成する波長分離フィルタは、市販の光ハイパスフィルタ又は光ローパスフィルタを利用して実現できる。   The wavelength separation filter that constitutes the first and second photon pair extraction units and exhibits these characteristics can be realized using a commercially available optical high-pass filter or optical low-pass filter.

非線形光学媒体40の一方の端面40aから時計回りの方向に出力される光は、第1の波長分離フィルタ50の第1の入出力端50aに入力される。第1の入出力端50aから入力された光のうち、境界周波数ωx以上の周波数を有する高周波成分は、第2の入出力端50bから出力され、ループ共振器を時計回りに伝播する。一方、境界周波数ωx未満の周波数を有する低周波成分は、第3の入出力端50cからレーザ共振器20の外部に取り出される。第3の入出力端50cから取り出された低周波成分の光は、光子対出力部80の偏波面変換器82に送られる。   The light output in the clockwise direction from one end face 40 a of the nonlinear optical medium 40 is input to the first input / output end 50 a of the first wavelength separation filter 50. Of the light input from the first input / output terminal 50a, a high frequency component having a frequency equal to or higher than the boundary frequency ωx is output from the second input / output terminal 50b and propagates clockwise through the loop resonator. On the other hand, a low frequency component having a frequency lower than the boundary frequency ωx is extracted from the third input / output terminal 50 c to the outside of the laser resonator 20. The low frequency component light extracted from the third input / output terminal 50 c is sent to the polarization plane converter 82 of the photon pair output unit 80.

一方、光増幅器30の一方の端面30aから出力されて、反時計回りに伝播する光は、第2の入出力端50bから第1の波長分離フィルタ50に入力される。この第2の入出力端50bから入力された境界周波数ωx以上の周波数を有する高周波成分は、第1の入出力端50aから出力されて、非線形光学媒体40に送られる。   On the other hand, the light output from one end face 30a of the optical amplifier 30 and propagating counterclockwise is input to the first wavelength separation filter 50 from the second input / output end 50b. A high frequency component having a frequency equal to or higher than the boundary frequency ωx input from the second input / output end 50 b is output from the first input / output end 50 a and sent to the nonlinear optical medium 40.

また、非線形光学媒体40の他方の端面40bから反時計回りの方向に出力される光は、第2の波長分離フィルタ51の第1の入出力端51aに入力される。第1の入出力端51aから入力された光のうち、境界周波数ωx以上の周波数を有する高周波成分は、第2の入出力端51bから出力され、ループ共振器を反時計回りに伝播する。一方、境界周波数ωx未満の周波数を有する低周波成分は、第3の入出力端51cからレーザ共振器20の外部に取り出される。第3の入出力端51cから取り出された低周波成分の光は、光子対出力部80の偏光ビームスプリッタ84に送られる。   Further, the light output in the counterclockwise direction from the other end surface 40 b of the nonlinear optical medium 40 is input to the first input / output end 51 a of the second wavelength separation filter 51. Of the light input from the first input / output end 51a, a high-frequency component having a frequency equal to or higher than the boundary frequency ωx is output from the second input / output end 51b and propagates counterclockwise through the loop resonator. On the other hand, a low-frequency component having a frequency lower than the boundary frequency ωx is extracted from the third input / output terminal 51 c to the outside of the laser resonator 20. The low-frequency component light extracted from the third input / output terminal 51 c is sent to the polarization beam splitter 84 of the photon pair output unit 80.

一方、光増幅器30の他方の端面30bから出力されて、時計回りに伝播する光は、第2の入出力端51bから第2の波長分離フィルタ51に入力される。この第2の入出力端51bから入力された境界周波数ωx以上の周波数を有する高周波成分は、第1の入出力端51aから出力されて、非線形光学媒体40に送られる。   On the other hand, the light that is output from the other end face 30 b of the optical amplifier 30 and propagates clockwise is input to the second wavelength separation filter 51 from the second input / output end 51 b. A high frequency component having a frequency equal to or higher than the boundary frequency ωx input from the second input / output end 51 b is output from the first input / output end 51 a and sent to the nonlinear optical medium 40.

ここで、レーザ共振器20には、狭帯域の光バンドパスフィルタ64が設けられているのが良い。   Here, the laser resonator 20 is preferably provided with a narrow band optical bandpass filter 64.

図3を参照して、狭帯域の光バンドパスフィルタの入出力特性を説明する。図3は、狭帯域の光バンドパスフィルタの入出力特性を示す模式図である。図3は横軸に光周波数を取って示し、縦軸に透過率をいずれも任意単位で取って示している。   With reference to FIG. 3, the input / output characteristics of the narrow-band optical bandpass filter will be described. FIG. 3 is a schematic diagram showing input / output characteristics of a narrow-band optical bandpass filter. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the optical frequency, and the vertical axis indicates the transmittance in arbitrary units.

狭帯域の光バンドパスフィルタ64は、レーザ共振器の発振周波数を光周波数ωpに限定するために用いられる。これにより、位相整合のとれない光周波数でのレーザ発振を抑制できるため、量子もつれ光子対の生成効率を増加させることができる。   The narrow band optical bandpass filter 64 is used to limit the oscillation frequency of the laser resonator to the optical frequency ωp. This can suppress laser oscillation at an optical frequency where phase matching cannot be achieved, thereby increasing the generation efficiency of the entangled photon pair.

また、ωp=ωs+ωiの関係式を満たす組合せ以外の、光子対発生を抑制することができる。すなわち、励起光子の光周波数が一つに限定されれば、シグナル光子の光周波数ωsに対応するアイドラー光子の光周波数ωiも一つに限定される。このため、光子相関の相関度を上げることができる。   Moreover, generation of photon pairs other than the combination satisfying the relational expression of ωp = ωs + ωi can be suppressed. That is, if the optical frequency of the excitation photon is limited to one, the optical frequency ωi of the idler photon corresponding to the optical frequency ωs of the signal photon is also limited to one. For this reason, the correlation degree of photon correlation can be raised.

また、レーザ共振器20には、光遅延回路66が設けられているのが良い。光遅延回路66は、レーザ共振器長の調整と、非線形光学媒体40に左右両方向から入力される励起光子の位相差の調整とに用いられる。レーザ共振器長の調整により、レーザ発振の光周波数が、励起光子の光周波数ωpに調整される。また、位相差の調整により量子もつれのもつれ具合を最大化できる。   The laser resonator 20 is preferably provided with an optical delay circuit 66. The optical delay circuit 66 is used for adjusting the laser resonator length and adjusting the phase difference of pumping photons input to the nonlinear optical medium 40 from both the left and right directions. By adjusting the laser resonator length, the optical frequency of laser oscillation is adjusted to the optical frequency ωp of the excitation photon. In addition, the degree of entanglement can be maximized by adjusting the phase difference.

上述したように、第1のもつれ光子対生成装置10では、レーザ共振器20は、ループ型共振器を時計回りに伝搬するシグナル光及びアイドラー光を第1の波長分離フィルタ50から取り出し、反時計回りに伝播するシグナル光及びアイドラー光を第2の波長分離フィルタ51から取り出す。   As described above, in the first entangled photon pair generation device 10, the laser resonator 20 takes out the signal light and idler light propagating clockwise through the loop resonator from the first wavelength separation filter 50, and counterclockwise. The signal light and idler light propagating around are taken out from the second wavelength separation filter 51.

第1の波長分離フィルタ50から取り出された光子対は、偏波面変換器82を経て、偏光ビームスプリッタ84に送られる。また、第2の波長分離フィルタ51から取り出された光子対は、そのまま、偏光ビームスプリッタ84に送られる。   The photon pair extracted from the first wavelength separation filter 50 is sent to the polarization beam splitter 84 via the polarization plane converter 82. The photon pair extracted from the second wavelength separation filter 51 is sent to the polarization beam splitter 84 as it is.

偏波面変換器82は、第1の波長分離フィルタ50から取り出されたシグナル光子及びアイドラー光子の偏光方向を90度回転させる。ここで、シグナル光子及びアイドラー光子がV偏光である場合、偏波面変換器82で、H偏光に変換される。   The polarization plane converter 82 rotates the polarization directions of the signal photon and idler photon extracted from the first wavelength separation filter 50 by 90 degrees. Here, when the signal photon and the idler photon are V-polarized light, they are converted to H-polarized light by the polarization plane converter 82.

偏波面変換器82としては、例えば、偏波面保持光ファイバをその中間箇所で90度光学軸を変換して融着接続したものを利用できる。また、シグナル光子の光周波数ωsとアイドラー光子の光周波数ωiが近傍である場合は、1/2波長板を利用しても良い。   As the polarization plane converter 82, for example, a polarization-maintaining optical fiber obtained by converting the 90 ° optical axis at an intermediate position and fusion-splicing can be used. Further, when the optical frequency ωs of the signal photon and the optical frequency ωi of the idler photon are close, a half-wave plate may be used.

偏光ビームスプリッタ84は、第1〜3の入出力端84a〜84cを有している。第1の入力端84aから入力されたV偏光の直線偏波光は、第3の入力端84cから出力される。また、第2の入力端84bから入力されたH偏光の直線偏波光は、第3の入力端84cから出力される。このように偏光ビームスプリッタ84は、V偏光とH偏光の直線偏波光を偏光合成して出力する。   The polarization beam splitter 84 has first to third input / output ends 84a to 84c. The V-polarized linearly polarized light input from the first input end 84a is output from the third input end 84c. Further, the H-polarized linearly polarized light input from the second input end 84b is output from the third input end 84c. As described above, the polarization beam splitter 84 combines the V-polarized light and the H-polarized linearly polarized light into the polarized light and outputs it.

偏光ビームスプリッタ84から出力される光は、光ローパスフィルタ86に送られる。光ローパスフィルタ86は、シグナル光子及びアイドラー光子を透過させて、WDMフィルタ88に送り、励起光子を遮断する。   The light output from the polarization beam splitter 84 is sent to the optical low-pass filter 86. The optical low-pass filter 86 transmits the signal photon and the idler photon, sends them to the WDM filter 88, and blocks the excitation photons.

光ローパスフィルタ86から出力される光は、WDMフィルタ88に送られる。WDMフィルタ88は、シグナル光子の波長成分と、アイドラー光子の波長成分とに空間分離して、偏波量子もつれ光子対として出力する。WDMフィルタは、例えば、アレイ導波路回折格子(AWG:Arrayed Waveguide grating)を用いて構成することができる。   The light output from the optical low pass filter 86 is sent to the WDM filter 88. The WDM filter 88 spatially separates the wavelength component of the signal photon and the wavelength component of the idler photon, and outputs them as a polarization quantum entangled photon pair. The WDM filter can be configured by using, for example, an arrayed waveguide grating (AWG: Arrayed Waveguide Grating).

なお、量子もつれ光子対発生装置は、コリメートレンズなどを利用して、各部品を空間光学系として構成としても良いし、光ファイバコネクタなどで光モジュールとして市販されている各部品を接続した光ファイバ光学系として構成しても良い。なお、この量子もつれ光子対発生装置を構成する光学系は、偏光保持光学系であることが望ましいが、光モジュールが偏光保持光学系でない場合は、偏波面コントローラなどを挿入しても良い。   In addition, the quantum entangled photon pair generator may use a collimator lens or the like to configure each component as a spatial optical system, or an optical fiber connected to each component commercially available as an optical module using an optical fiber connector or the like. You may comprise as an optical system. The optical system constituting the quantum entangled photon pair generating device is preferably a polarization maintaining optical system. However, if the optical module is not a polarization maintaining optical system, a polarization plane controller or the like may be inserted.

この第1のもつれ光子対発生装置によれば、励起光源部であるレーザ共振器と、非線形光学媒体を含む光子対発生部が一体化されている。このため、より小型で低コストの量子もつれ光子対を提供することができる。また、励起光をレーザ共振器外に取り出す必要がないため、より高効率となる。   According to the first entangled photon pair generating apparatus, the laser resonator as the excitation light source unit and the photon pair generating unit including the nonlinear optical medium are integrated. Therefore, it is possible to provide a entangled photon pair that is smaller and less expensive. In addition, since it is not necessary to extract the excitation light outside the laser resonator, the efficiency becomes higher.

(第1のもつれ光子対発生装置の第1の変形例)
図4を参照して、第1のもつれ光子対発生装置の第1の変形例を説明する。図4は、第1の変形例のもつれ光子対発生装置11の概略図である。
(First modification of first entangled photon pair generating device)
A first modification of the first entangled photon pair generating device will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram of the entangled photon pair generating device 11 of the first modification.

量子もつれのもつれ具合を最大化するためには、V偏光の光子対とH偏光の光子対の生成確率を同じにする必要がある。そのために、非線形光学媒体に入力される励起光の強度を第1の光経路60及び第2の光経路61のいずれについても等しくするのが良い。   In order to maximize the degree of entanglement, it is necessary to make the generation probabilities of V-polarized photon pairs and H-polarized photon pairs the same. For this purpose, it is preferable that the intensity of the excitation light input to the nonlinear optical medium is equal for both the first optical path 60 and the second optical path 61.

そこで、この変形例のレーザ共振器21では、光増幅器を第1及び第2の光増幅器31及び32の2つとし、第1及び第2の光増幅器31及び32、第1及び第2の波長分離フィルタ50及び51を、非線形光学媒体40を中心として対称に配置している。このように構成することで、V偏光の光子対とH偏光の光子対の生成確率を同じにできる。また、第1及び第2の波長分離フィルタ50及び51の損失特性にばらつきがある場合には、駆動電源35及び36の出力を調整することにより、2つの光増幅器31及び32の光学利得に差をつけて補償可能にすることもできる。   Therefore, in the laser resonator 21 of this modification, the first and second optical amplifiers 31 and 32, the first and second optical amplifiers 31 and 32, and the first and second wavelengths are used. Separation filters 50 and 51 are arranged symmetrically about the nonlinear optical medium 40. With this configuration, the generation probabilities of the V-polarized photon pair and the H-polarized photon pair can be made the same. Further, when the loss characteristics of the first and second wavelength separation filters 50 and 51 vary, the optical gains of the two optical amplifiers 31 and 32 are different by adjusting the outputs of the drive power supplies 35 and 36. You can also make compensation possible.

その他の構成要素については、第1のもつれ光子対発生装置10と同様に構成できるので、重複する説明を省略する。   Other components can be configured in the same manner as the first entangled photon pair generating device 10, and thus redundant description is omitted.

また、この例では、第1の光増幅器31及び第2の光増幅器32を接続する第3の光経路62に、光バンドパスフィルタ64及び光遅延回路66を設けている。なお、光バンドパスフィルタ64及び光遅延回路66を、第1の光経路60及び第2の光経路62にそれぞれ設けて、光バンドパスフィルタ及び光遅延回路を含めて、対称に配置しても良い。   In this example, an optical bandpass filter 64 and an optical delay circuit 66 are provided in the third optical path 62 that connects the first optical amplifier 31 and the second optical amplifier 32. The optical bandpass filter 64 and the optical delay circuit 66 may be provided symmetrically including the optical bandpass filter and the optical delay circuit by providing the first optical path 60 and the second optical path 62, respectively. good.

(第1のもつれ光子対発生装置の第2の変形例)
図5を参照して、第1のもつれ光子対発生装置の第2の変形例を説明する。図5は、第2の変形例のもつれ光子対発生装置12の概略図である。
(Second modification of first entangled photon pair generating device)
A second modification of the first entangled photon pair generating device will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic view of the entangled photon pair generating device 12 of the second modified example.

アプリケーションによっては、量子もつれ光子対を光パルス状に形成する必要がある。そこで、第2の変形例では、レーザ共振器22内に光変調器68を備えている。この光変調器68により、励起光子を光パルス化し、その結果、量子もつれ光子対を光パルス状に形成できる。また、励起光子のピーク強度が増加するので、高効率化となる。   Depending on the application, it may be necessary to form entangled photon pairs in the form of light pulses. Therefore, in the second modification, an optical modulator 68 is provided in the laser resonator 22. By this optical modulator 68, the excitation photons are converted into an optical pulse, and as a result, the entangled photon pair can be formed into an optical pulse. Moreover, since the peak intensity of the excitation photon increases, the efficiency is improved.

光変調器以外の構成要素については、第1のもつれ光子対発生装置の第1の変形例と同様に構成できるので、重複する説明を省略する。   Since components other than the optical modulator can be configured in the same manner as the first modification of the first entangled photon pair generating device, redundant description is omitted.

なお、ここでは、第1のもつれ光子対発生装置の第1の変形例に光変調器を設ける構成について説明したが、第1のもつれ光子対発生装置に、光変調器を設けても良い。   In addition, although the structure which provides an optical modulator in the 1st modification of a 1st entangled photon pair generation apparatus was demonstrated here, you may provide an optical modulator in the 1st entangled photon pair generation apparatus.

(第2のもつれ光子対発生装置)
図6を参照して、この発明に係る量子もつれ光子対発生装置の第2の実施形態(以下、第2のもつれ光子対発生装置とも称する。)について説明する。図6は、第2のもつれ光子対発生装置の概略構成図である。
(Second entangled photon pair generator)
With reference to FIG. 6, a second embodiment (hereinafter also referred to as a second entangled photon pair generating device) of a entangled photon pair generating device according to the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a second entangled photon pair generating device.

第2のもつれ光子対発生装置14は、非線形光学媒体41が、励起光子に対するカスケード2次非線形光学効果による自然パラメトリック下方変換光として、あるいは、励起光子の自然4光波混合光としてシグナル光子及びアイドラー光子を生成する点が、第1のもつれ光子対発生装置と異なっている。   In the second entangled photon pair generation device 14, the nonlinear optical medium 41 has a signal photon and idler photon as a natural parametric down-converted light due to the cascaded second-order nonlinear optical effect on the excitation photon, or as a natural four-wave mixed light of the excitation photon. Is different from the first entangled photon pair generator.

このとき、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子の光周波数ωp、ωs及びωiは、2ωp=ωs+ωiの関係式を満たす。また、励起光子、シグナル光子及びアイドラー光子の光波長λp、λs及びλiは、2/λp=1/λs+1/λiの関係式を満たす。量子もつれ光子対の波長帯として、1.5μm帯を所望する場合は、励起光子の波長帯として、1.5μmを用いればよい。   At this time, the optical frequencies ωp, ωs, and ωi of the excitation photons, signal photons, and idler photons satisfy the relational expression 2ωp = ωs + ωi. Further, the optical wavelengths λp, λs, and λi of the excitation photon, the signal photon, and the idler photon satisfy the relational expression 2 / λp = 1 / λs + 1 / λi. When a 1.5 μm band is desired as the wavelength band of the entangled photon pair, 1.5 μm may be used as the wavelength band of the excitation photon.

この場合、第1及び第2の光子対取出部が、シグナル光子とアイドラー光子をレーザ共振器24から取り出し、励起光子をレーザ共振器内に伝播させてレーザ発振を生じさせる波長分離フィルタで構成される。例えば、波長分離フィルタを、第1及び第2の誘電体多層膜光フィルタ52及び53で構成することができる。   In this case, the first and second photon pair extraction units are configured by a wavelength separation filter that extracts the signal photon and the idler photon from the laser resonator 24 and propagates the excitation photon into the laser resonator to generate laser oscillation. The For example, the wavelength separation filter can be composed of first and second dielectric multilayer optical filters 52 and 53.

図7を参照して、波長分離フィルタの入出力特性を説明する。図7は、波長分離フィルタの入出力特性を示す模式図である。図7は横軸に光周波数を取って示し、縦軸に透過率をいずれも任意単位で取って示している。図7中、実線Iは、第1の入出力端に入力された光に対し、第2の入出力端から出力される透過率を示し、点線IIは、第1の入出力端に入力された光に対し、第3の入出力端から出力される透過率を示している。   With reference to FIG. 7, the input / output characteristics of the wavelength separation filter will be described. FIG. 7 is a schematic diagram showing input / output characteristics of the wavelength separation filter. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the optical frequency, and the vertical axis indicates the transmittance in arbitrary units. In FIG. 7, the solid line I indicates the transmittance output from the second input / output terminal with respect to the light input to the first input / output terminal, and the dotted line II is input to the first input / output terminal. The transmittance output from the third input / output terminal with respect to the measured light is shown.

この場合、第1及び第2の光子対取出部を透過する光周波数は、励起光子の光周波数ωpに限定されるため、狭帯域の光バンドパスフィルタは不要となる。   In this case, since the optical frequency transmitted through the first and second photon pair extraction units is limited to the optical frequency ωp of the excitation photon, a narrow band optical bandpass filter is not required.

その他の構成については、第1のもつれ光子対発生装置と同様に構成できるので、ここでは、重複する説明を省略する。なお、第2のもつれ光子対発生装置が備える第1及び第2の光子対取出部を第1のもつれ光子対発生装置に適用しても良い。   Since the other configuration can be configured in the same manner as the first entangled photon pair generating device, redundant description is omitted here. In addition, you may apply the 1st and 2nd photon pair extraction part with which a 2nd entangled photon pair generator is provided to a 1st entangled photon pair generator.

この第2のもつれ光子対発生装置は、励起光子、アイドラー光子及びシグナル光子が同じ波長帯の光である。このため、単一波長帯で動作する光部品を用いて構成することができ、結合光学系の設計も容易になる。さらに、安価で信頼性の高い汎用部品を利用することができ、信頼性の向上及び低コスト化という利点もある。   In this second entangled photon pair generating device, the excitation photon, idler photon and signal photon are light in the same wavelength band. For this reason, it can comprise using the optical component which operate | moves in a single wavelength band, and the design of a coupling optical system becomes easy. Furthermore, inexpensive and highly reliable general-purpose parts can be used, and there is an advantage that reliability is improved and costs are reduced.

(第2のもつれ光子対発生装置の変形例)
図8を参照して、第2のもつれ光子対発生装置の変形例を説明する。図8は、第2のもつれ光子対発生装置の変形例の概略図である。
(Modification of second entangled photon pair generator)
A modification of the second entangled photon pair generating device will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic view of a modified example of the second entangled photon pair generating device.

この変形例のもつれ光子対発生装置15は、第1及び第2の光子対取出部が異なっており、他の構成は図6を参照して説明した第2のもつれ光子対発生装置と同様なので説明を省略する。   The entangled photon pair generating device 15 of this modification is different in the first and second photon pair extraction units, and the other configuration is the same as that of the second entangled photon pair generating device described with reference to FIG. Description is omitted.

この変形例では、第1の波長分離フィルタが、第1の光サーキュレータ54及び第1のファイバブラッググレーティング(FBG)56で構成され、第2の波長分離フィルタが、第2の光サーキュレータ55及び第2のファイバブラッググレーティング(FBG)57で構成されている。   In this modification, the first wavelength separation filter includes a first optical circulator 54 and a first fiber Bragg grating (FBG) 56, and the second wavelength separation filter includes the second optical circulator 55 and the first optical circulator 55. 2 fiber Bragg grating (FBG) 57.

第1の光サーキュレータ54は第1〜3の入出力端54a〜54cを備えている。第1の入出力端54aに入力された光は、第2の入出力端54bから出力され、第2の入出力端54bに入力された光は、第3の入出力端54cから出力され、第3の入出力端54cに入力された光は、第1の入出力端54aから出力される。   The first optical circulator 54 includes first to third input / output ends 54a to 54c. The light input to the first input / output terminal 54a is output from the second input / output terminal 54b, the light input to the second input / output terminal 54b is output from the third input / output terminal 54c, The light input to the third input / output terminal 54c is output from the first input / output terminal 54a.

第1の光サーキュレータ54の第2の入出力端54bは、非線形光学媒体41の一方の端面41aに接続されている。また、第1の光サーキュレータ54の第1の入出力端54aは、光増幅器30の一方の端面30aに接続されている。第1の光サーキュレータ54の第3の入出力端54cは、第1のFBG56を経て偏波面変換器82に接続されている。   The second input / output end 54 b of the first optical circulator 54 is connected to one end face 41 a of the nonlinear optical medium 41. The first input / output end 54 a of the first optical circulator 54 is connected to one end face 30 a of the optical amplifier 30. The third input / output terminal 54 c of the first optical circulator 54 is connected to the polarization plane converter 82 via the first FBG 56.

第2の光サーキュレータ55は第1〜3の入出力端55a〜55cを備えている。第2の光サーキュレータ55の第2の入出力端55bは、非線形光学媒体41の他方の端面41bに接続されている。また、第2の光サーキュレータ55の第1の入出力端55aは、光遅延回路66を経て、光増幅器30の他方の端面30bに接続されている。第2の光サーキュレータ55の第3の入出力端55cは、第2のFBG57を経て偏光ビームスプリッタ84に接続されている。   The second optical circulator 55 includes first to third input / output ends 55a to 55c. The second input / output end 55 b of the second optical circulator 55 is connected to the other end face 41 b of the nonlinear optical medium 41. The first input / output end 55 a of the second optical circulator 55 is connected to the other end face 30 b of the optical amplifier 30 via the optical delay circuit 66. The third input / output terminal 55 c of the second optical circulator 55 is connected to the polarization beam splitter 84 via the second FBG 57.

第1及び第2のFBG56及び57は、励起光子の光周波数ωpに対応する波長λpがブラッグ波長となっていて、光周波数ωpの励起光子を反射する。これ以外の光周波数の光は、FBGを通過する。   In the first and second FBGs 56 and 57, the wavelength λp corresponding to the optical frequency ωp of the excitation photon is a Bragg wavelength, and reflects the excitation photon of the optical frequency ωp. Light of other optical frequencies passes through the FBG.

光増幅器30の一方の端面30aから出力された励起光子は、第1の光サーキュレータ54の第1の入出力端54aに入力される。第1の入出力端54aに入力された光は、第2の入出力端54bから出力されて非線形光学媒体41の一方の端面41aに入力される。非線形光学媒体41で生成されたシグナル光子及びアイドラー光子は、非線形光学媒体41の他方の端面41bから出力されて、第2の光サーキュレータ55の第2の入出力端55bに入力される。第2の入出力端55bに入力された光は、第3の入出力端55cから出力されて第2のFBG57に入力される。第2のFBG57は励起光子を反射する構成とされている。シグナル光子及びアイドラー光子は、第2のFBG57を通過して偏光ビームスプリッタ84に送られる。一方、非線形光学媒体41の他方の端面41bから出力された励起光子は、第2のFBG57で反射され、第2の光サーキュレータ55の第3の入出力端55c、第1の入出力端55aを経て、光増幅器30に送られる。   The excitation photons output from one end face 30 a of the optical amplifier 30 are input to the first input / output end 54 a of the first optical circulator 54. The light input to the first input / output end 54 a is output from the second input / output end 54 b and input to one end face 41 a of the nonlinear optical medium 41. The signal photons and idler photons generated by the nonlinear optical medium 41 are output from the other end face 41 b of the nonlinear optical medium 41 and input to the second input / output end 55 b of the second optical circulator 55. The light input to the second input / output terminal 55 b is output from the third input / output terminal 55 c and input to the second FBG 57. The second FBG 57 is configured to reflect excitation photons. The signal photons and idler photons pass through the second FBG 57 and are sent to the polarization beam splitter 84. On the other hand, the excitation photon output from the other end face 41b of the nonlinear optical medium 41 is reflected by the second FBG 57, and passes through the third input / output end 55c and the first input / output end 55a of the second optical circulator 55. Then, it is sent to the optical amplifier 30.

光増幅器30の他方の端面30bから出力された励起光子は、第2の光サーキュレータ55の第1の入出力端55aに入力される。第1の入出力端55aに入力された光は、第2の入出力端55bから出力されて非線形光学媒体41の他方の端面41bに入力される。非線形光学媒体41で生成されたシグナル光子及びアイドラー光子は、非線形光学媒体41の一方の端面41aから出力されて、第1の光サーキュレータ54の第2の入出力端54bに入力される。第2の入出力端54bに入力された光は、第3の入出力端54cから出力されて第1のFBG56に入力される。第1のFBG56は励起光子を反射する構成とされている。シグナル光子及びアイドラー光子は、第1のFBG56を通過して、偏波面変換器82を経て、偏光ビームスプリッタ84に送られる。一方、非線形光学媒体41の一方の端面41aから出力された励起光子は、第1のFBG56で反射され、第1の光サーキュレータ54の第3の入出力端54c、第1の入出力端54aを経て、光増幅器30に送られる。   The excitation photons output from the other end face 30 b of the optical amplifier 30 are input to the first input / output end 55 a of the second optical circulator 55. The light input to the first input / output end 55a is output from the second input / output end 55b and input to the other end face 41b of the nonlinear optical medium 41. The signal photons and idler photons generated by the nonlinear optical medium 41 are output from one end face 41 a of the nonlinear optical medium 41 and input to the second input / output end 54 b of the first optical circulator 54. The light input to the second input / output terminal 54 b is output from the third input / output terminal 54 c and input to the first FBG 56. The first FBG 56 is configured to reflect excitation photons. The signal photon and idler photon pass through the first FBG 56, pass through the polarization plane converter 82, and are sent to the polarization beam splitter 84. On the other hand, the excitation photon output from one end face 41a of the nonlinear optical medium 41 is reflected by the first FBG 56, and passes through the third input / output end 54c and the first input / output end 54a of the first optical circulator 54. Then, it is sent to the optical amplifier 30.

(他の実施形態)
なお、上述した各実施形態及び変形例では、レーザ共振器をループ型共振器とした例を説明したが、これに限定されない。例えば、レーザ共振器をファブリーペロー型の共振器としても良い。
(Other embodiments)
In each of the above-described embodiments and modifications, an example in which the laser resonator is a loop resonator has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the laser resonator may be a Fabry-Perot resonator.

図9を参照して、レーザ共振器をファブリーペロー型の共振器とした場合について説明する。図9(A)〜(C)は、レーザ共振器をファブリーペロー型の共振器とした場合の模式図である。ファブリーペロー型の共振器を用いる場合、対称性の観点から、非線形光学媒体を挟む位置に1対の光増幅器31及び32を設ける(図9(B)参照。)か、あるいは、光増幅器を挟む位置に1対の非線形光学媒体42及び43を設けるのが良い(図9(C)参照)。   A case where the laser resonator is a Fabry-Perot resonator will be described with reference to FIG. 9A to 9C are schematic diagrams in the case where the laser resonator is a Fabry-Perot resonator. When using a Fabry-Perot type resonator, from the viewpoint of symmetry, a pair of optical amplifiers 31 and 32 are provided at positions sandwiching a nonlinear optical medium (see FIG. 9B), or an optical amplifier is sandwiched. A pair of nonlinear optical media 42 and 43 may be provided at the position (see FIG. 9C).

なお、ファブリーペロー型の共振器の場合、反射鏡70が必要となる。これに対し、ループ型共振器は、反射鏡を設ける必要が無く、また、小型が容易である。従って、ループ型共振器を用いるのがより好ましい。   In the case of a Fabry-Perot resonator, the reflecting mirror 70 is required. On the other hand, the loop resonator does not need to be provided with a reflecting mirror and is easy to be miniaturized. Therefore, it is more preferable to use a loop resonator.

10、11、12、14、15 もつれ光子対発生装置
20、21、22、24、25 レーザ共振器
30、31、32 光増幅器
34、35、36 駆動電源
40、41、42、43 非線形光学媒体
50、51 波長分離フィルタ
52、53 誘電体多層膜光フィルタ
54、55 光サーキュレータ
56、57 ファイバブラッググレーティング(FBG)
60、61、62 光経路
64 光バンドパスフィルタ
66 光遅延回路
68 光変調器
70 反射鏡
80 光子対出力部
82 偏波面変換器
84 偏光ビームスプリッタ
86 光ローパスフィルタ
88 WDMフィルタ
10, 11, 12, 14, 15 Tangled photon pair generator
20, 21, 22, 24, 25 Laser resonator
30, 31, 32 Optical amplifier 34, 35, 36 Drive power supply 40, 41, 42, 43 Nonlinear optical medium
50, 51 Wavelength separation filter
52, 53 Dielectric multilayer optical filter 54, 55 Optical circulator 56, 57 Fiber Bragg grating (FBG)
60, 61, 62 Optical path 64 Optical band pass filter 66 Optical delay circuit 68 Optical modulator 70 Reflector 80 Photon pair output unit 82 Polarization plane converter 84 Polarizing beam splitter 86 Optical low pass filter 88 WDM filter

Claims (12)

光周波数ωpを含む周波数帯域で光学利得を有し、光周波数ωpの励起光子を生成する光増幅器、
非線形光学効果により、前記励起光子から、光周波数ωsのシグナル光子及び光周波数ωiのアイドラー光子の光子対を生成する非線形光学媒体、及び
励起光子の伝播方向に前記非線形光学媒体を挟む位置に設けられ、前記シグナル光子及びアイドラー光子を取り出す、第1及び第2の光子対取出部
を備え、光周波数ωpでレーザ発振するレーザ共振器と、
前記第1の光子対取出部から取り出されたシグナル光子及びアイドラー光子の偏光方向を90度回転させる偏波面変換器と、
前記偏波面変換器からの出力光と、前記第2の光子対取出部からの出力光とを偏光合成する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタからの出力光を前記シグナル光子の波長成分と、前記アイドラー光子の波長成分とに空間分離するWDM(Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer)フィルタと
を備え
前記光増幅器が、第1の光増幅器及び第2の光増幅器により構成され、
前記第1及び第2の光増幅器、前記第1及び第2の光子対取出部、並びに、前記非線形光学媒体が、当該非線形光学媒体を中心として対称に配置されてい
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
An optical amplifier having optical gain in a frequency band including the optical frequency ωp and generating pumping photons of the optical frequency ωp;
Due to the nonlinear optical effect, a nonlinear optical medium that generates a photon pair of a signal photon of optical frequency ωs and an idler photon of optical frequency ωi from the excitation photon, and a position sandwiching the nonlinear optical medium in the propagation direction of the excitation photon A laser resonator including first and second photon pair extraction units for extracting the signal photon and idler photon, and lasing at an optical frequency ωp;
A polarization plane converter that rotates the polarization direction of the signal photon and idler photon extracted from the first photon pair extraction unit by 90 degrees;
A polarization beam splitter that combines the output light from the polarization plane converter and the output light from the second photon pair extraction unit;
A WDM (Wavelength Division Multiplexer / Demultiplexer) filter that spatially separates the output light from the polarization beam splitter into a wavelength component of the signal photon and a wavelength component of the idler photon ;
The optical amplifier is composed of a first optical amplifier and a second optical amplifier,
Said first and second optical amplifiers, said first and second photon pair extraction section, as well as quantum entanglement said nonlinear optical medium, characterized that you have been placed symmetrically around the non-linear optical medium Photon pair generator.
前記レーザ共振器が、ループ型共振器である
ことを特徴とする請求項1に記載の量子もつれ光子対発生装置。
2. The quantum entangled photon pair generation device according to claim 1, wherein the laser resonator is a loop resonator.
前記レーザ共振器内に、光遅延回路を備える
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の量子もつれ光子対発生装置。
3. The quantum entangled photon pair generation device according to claim 1, wherein an optical delay circuit is provided in the laser resonator.
前記レーザ共振器内に、光変調器を備える
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
The quantum entangled photon pair generation device according to any one of claims 1 to 3, further comprising an optical modulator in the laser resonator.
前記偏光ビームスプリッタと前記WDMフィルタの間に、
前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を透過させ、前記シグナル光子の光周波数ωsと、前記アイドラー光子の光周波数ωiの和で与えられる光周波数の光子を遮断する光ローパスフィルタを備える
ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
Between the polarizing beam splitter and the WDM filter,
An optical low-pass filter that transmits the signal photon and the idler photon and blocks a photon having an optical frequency given by the sum of the optical frequency ωs of the signal photon and the optical frequency ωi of the idler photon is provided. Item 5. The quantum entangled photon pair generation device according to any one of Items 1 to 4 .
前記非線形光学媒体は、前記励起光子に対する自然パラメトリック下方変換光として、前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を生成する
ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
Said nonlinear optical medium, as a natural parametric down-conversion light to the excitation photons, entangled photon pairs generated according to any one of claims 1 to 5, characterized in that to generate the signal photon and the idler photon apparatus.
前記非線形光学媒体は、前記励起光子に対するカスケード2次非線形光学効果による自然パラメトリック下方変換光として、前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を生成する
ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
Said nonlinear optical medium, as a natural parametric down-conversion light by cascade second-order nonlinear optical effect for the excitation photons, in any one of claims 1 to 5, characterized in that to generate the signal photon and the idler photon The entangled photon pair generator described.
前記非線形光学媒体は、前記励起光子の自然4光波混合光として、前記シグナル光子及び前記アイドラー光子を生成する
ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
Said nonlinear optical medium, a natural four-wave mixed light of the excitation photons, entangled photon pairs generated according to any one of claims 1 to 5, characterized in that to generate the signal photon and the idler photon apparatus.
前記レーザ共振器内に、前記励起光子の波長成分を透過させる光バンドパスフィルタを備え、
第1及び第2の光子対取出部が、前記シグナル光子の光周波数ωs及び前記アイドラー光子の光周波数ωiと、前記励起光子の光周波数ωpの間の境界周波数ωx未満の周波数を有する低周波成分の光子を前記レーザ共振器外に取り出し、前記境界周波数ωx以上の周波数を有する高周波成分の光子をレーザ共振器内を伝播させる波長分離フィルタで構成される
ことを特徴とする請求項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
In the laser resonator, comprising an optical bandpass filter that transmits the wavelength component of the excitation photons,
A low frequency component in which the first and second photon pair extraction units have a frequency less than a boundary frequency ωx between the optical frequency ωs of the signal photon and the optical frequency ωi of the idler photon and the optical frequency ωp of the excitation photon. of photons taken out of the laser resonator, according to claim 6, characterized in that it is composed of photons of the high frequency components at a wavelength separation filter that propagates in the laser resonator having the boundary frequency ωx or more frequencies Quantum entangled photon pair generator.
第1及び第2の光子対取出部が、前記シグナル光子の波長成分と、前記アイドラー光子の波長成分の光を前記レーザ共振器外に取り出し、前記励起光子の波長成分をレーザ共振器内を伝播させる波長分離フィルタで構成される
ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
The first and second photon pair extraction units extract the wavelength component of the signal photon and the wavelength component of the idler photon out of the laser resonator, and propagate the wavelength component of the excitation photon through the laser resonator. The quantum entangled photon pair generation device according to any one of claims 1 to 8 , wherein the quantum entangled photon pair generation device is configured by a wavelength separation filter.
前記波長分離フィルタが、誘電体多層膜光フィルタで構成されている
ことを特徴とする請求項10に記載の量子もつれ光子対発生装置。
11. The entangled photon pair generating apparatus according to claim 10 , wherein the wavelength separation filter is formed of a dielectric multilayer optical filter.
前記波長分離フィルタが、ファイバブラッググレーティングと光サーキュレータで構成されている
ことを特徴とする請求項10に記載の量子もつれ光子対発生装置。
The quantum entangled photon pair generation device according to claim 10 , wherein the wavelength separation filter includes a fiber Bragg grating and an optical circulator.
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